連續(xù)退火機(jī)組出口分切剪柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造和應(yīng)用

摘 要：在連續(xù)退火機(jī)組中，出口分切剪主要用于帶鋼分切，實(shí)現(xiàn)卷取機(jī)順序切換卷取的目的。在常規(guī)電氣起動(dòng)控制方式下，出口分切剪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)多年發(fā)生前軸軸承臺(tái)階處斷軸事故，造成生產(chǎn)線長(zhǎng)時(shí)間非計(jì)劃故障停機(jī)，嚴(yán)重制約了正常產(chǎn)能釋放。通過(guò)研究出口分切剪驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析出口分切剪各階段的運(yùn)行動(dòng)作特點(diǎn)，針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸在起動(dòng)和剪切階段沖擊負(fù)荷問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用柔性驅(qū)動(dòng)技術(shù)從根源上消除了電機(jī)轉(zhuǎn)軸受沖擊負(fù)荷斷軸的問(wèn)題，不僅保障了連續(xù)退火機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，而且對(duì)其他機(jī)組同類問(wèn)題治理具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：分切剪; 電機(jī)斷軸; 柔性驅(qū)動(dòng)

Abstract：In the continuous annealing line， the exit slitting shear is mainly used for strip slitting to realize the purpose of sequential switching of coiler winding. Under the conventional electrical start-up control mode， the drive motor of the exit slitting shear has been broken at the front shaft bearing step for many years， resulting in a long unplanned downtime of the production line， which seriously restricts the release of normal capacity. By studying the mechanical structure of the drive device of the exit slitting shear， analyzing the operating characteristics of the exit slitting shear at various stages， and focusing on the problem of impact load on the motor rotor shaft during the starting and shearing phases， the application of flexible drive technology eliminates the problem of motor shaft breakage by the impact load， which not only ensures the stable operation of the continuous annealing line， but also has reference value for the management of similar problems in other production lines.

Key words： slitting shear; motor broken shaft; flexible drive

1 現(xiàn) 狀

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

連續(xù)退火機(jī)組卷取機(jī)入口側(cè)配備一臺(tái)出口分切剪，用于剪切帶鋼頭、尾部部分，實(shí)現(xiàn)在帶鋼10 ～ 30 m/min的低速運(yùn)行過(guò)程中分切取樣、分卷剪切等功能。出口分切剪由電機(jī)、皮帶輪、V型皮帶、飛輪、氣動(dòng)離合制動(dòng)器、曲軸、固定剪刃、活動(dòng)剪刃、機(jī)架等部分組成，如圖1所示。

出口分切剪的電氣控制系統(tǒng)，采用直接起動(dòng)和自由停車的控制方式，主要由斷路器、接觸器、熱繼電器、控制繼電器等部分組成。

1.2 使用問(wèn)題

通常每卷帶鋼需要完成4 ～ 5塊取樣以及分卷剪切動(dòng)作。在出口分切剪開(kāi)始剪切前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)完成第一階段的儲(chǔ)能準(zhǔn)備；然后，根據(jù)生產(chǎn)工藝需求，完成第二階段的帶鋼取樣和分卷動(dòng)作。

已知電機(jī)額定功率為5.5 kW，額定電流為12.8 A，額定轉(zhuǎn)速為960 rpm，主動(dòng)皮帶輪的直徑為135.9 mm，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速比為8.33；經(jīng)實(shí)測(cè)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流約8 A，起動(dòng)電流約78 A，剪切電流約25 A，實(shí)測(cè)起動(dòng)過(guò)程用時(shí)約3 s，如圖2所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，在直接起動(dòng)的控制方式下，電機(jī)起動(dòng)加速階段電流達(dá)到額定電流的6 倍～ 7倍，電機(jī)轉(zhuǎn)軸徑向受力約為2 479.3 N（不含皮帶輪質(zhì)量）；帶鋼剪切階段電流為額定電流的2 ～ 3倍；怠速階段穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為52.38 N·m，皮帶受力為770.8 N。

綜上所述，在出口分切剪起動(dòng)和帶鋼分切階段的負(fù)荷均屬于沖擊性負(fù)荷，電機(jī)轉(zhuǎn)軸頻繁承受轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩和超負(fù)荷徑向拉伸力兩方面的作用，導(dǎo)致出口分切剪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸承臺(tái)階處頻繁發(fā)生斷軸事故，如圖3所示。

2 技術(shù)方案

2.1 電機(jī)

通常，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)選型時(shí)，除特殊工況外，均具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩承載性能，而徑向力承載能力較低；以國(guó)內(nèi)某大型電機(jī)制造商技術(shù)數(shù)據(jù)為例，工頻工況下電機(jī)最大徑向力如表1所示。

在沖擊性重載負(fù)荷使用場(chǎng)合中，針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷軸事故，從電機(jī)本體角度考慮，優(yōu)化措施包含以下幾個(gè)方面：

1）電機(jī)轉(zhuǎn)軸材質(zhì)升級(jí)。

常見(jiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸用材料為鑄鐵和碳結(jié)構(gòu)鋼，其中，鑄鐵具有成本低、抗震性好、吸音性能好等特點(diǎn)，在使用過(guò)程中磨損較小，但抗拉強(qiáng)度較低，不適合高速場(chǎng)合。45號(hào)鋼或40Cr鋼都是高質(zhì)碳結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的力學(xué)性能，45號(hào)鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度和耐磨性，適用于一般用途的電機(jī)轉(zhuǎn)軸，40Cr鋼具有較高的強(qiáng)度、耐磨性和韌性，適用于重載場(chǎng)合的電機(jī)轉(zhuǎn)軸。

2）電機(jī)容量升級(jí)。

在電機(jī)選型過(guò)程中，要求結(jié)合機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)作特性，分別核算起動(dòng)階段、加減速階段和停車階段的負(fù)載受力情況，選擇具有一定富裕容量的電機(jī)規(guī)格，確保過(guò)載能力和起動(dòng)能力滿足要求。

3）電機(jī)轉(zhuǎn)軸預(yù)防性探傷檢測(cè)。

在常見(jiàn)的機(jī)械設(shè)備探傷技術(shù)中，磁粉探傷技術(shù)主要用于檢測(cè)鐵磁性材料和工件表面或近表面的裂紋、折疊、夾層、夾渣等，并能確定缺陷的位置、大小和形狀。滲透探傷主要用于檢測(cè)金屬和非金屬材料的裂紋、折疊、松疏和針孔等缺陷，并能確定缺陷的位置、大小和形狀。渦流探傷主要用于檢測(cè)導(dǎo)電材料表面和近表面的裂紋、夾雜、折疊、凹坑和疏松等缺陷，并能確定缺陷的位置和相對(duì)尺寸。超聲波探傷主要用于檢測(cè)鍛件的裂紋、分層、夾雜，焊縫中的裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透，型材的裂紋、分層、夾雜、折疊，鑄件中的縮孔、氣泡、熱裂、冷裂、疏松和夾渣等缺陷和厚度測(cè)定。

2.2 電氣控制

通常電氣控制方式分為直接起動(dòng)、降壓起動(dòng)、軟啟動(dòng)和變頻起動(dòng)等四種方式。

1）直接起動(dòng)[1]。

直接起動(dòng)也稱為全壓起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)電機(jī)的定子繞組直接接通額定電壓電源。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單且操作方便，但是起動(dòng)電流較大，可達(dá)到額定電流的4倍 ～ 7倍，可能引起電網(wǎng)電壓異常波動(dòng)。

一般功率在7.5 kW以下的電機(jī)均可采用直接起動(dòng)，如果供電變壓器容量相對(duì)于電機(jī)容量較大，符合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，如公式（1）所示，較大容量的鼠籠式異步電機(jī)也可采用直接起動(dòng)；如果不能滿足公式要求，則應(yīng)采用降壓起動(dòng)。

2）降壓起動(dòng)。

降壓起動(dòng)是通過(guò)起動(dòng)設(shè)備使定子繞組開(kāi)始時(shí)承受小于額定電壓的電壓，待電機(jī)轉(zhuǎn)速上升達(dá)一定值時(shí)，再使定子繞組承受額定電壓而穩(wěn)定運(yùn)行。

通常，降壓起動(dòng)包含定子串電阻或電抗降壓起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)、星-三角起動(dòng)、延邊三角形起動(dòng)等4種方式，性能特點(diǎn)如表2所示。

3）軟起動(dòng)[2] 。

軟啟動(dòng)器是一種基于可控硅移相控制原理的電氣控制器，通過(guò)調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角輸出不同的電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。

軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)方式包含限流啟動(dòng)、斜坡電壓?jiǎn)?dòng)、轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng)等四種方式。其中，轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)具有平滑啟動(dòng)、柔韌度好的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有獨(dú)特的保護(hù)，能有效延長(zhǎng)拖動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，也能降低電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，也是重載啟動(dòng)的最有選擇；但是，缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

4）變頻器起動(dòng)[3] 。

變頻器通過(guò)改變電網(wǎng)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，主要用于需要調(diào)速并且對(duì)速度控制要求高的領(lǐng)域。但是，變頻器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)用高，而且不適用于沖擊性負(fù)載場(chǎng)合，同時(shí)，對(duì)于運(yùn)行環(huán)境要求高，需要防塵和散熱設(shè)施。

2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)

用于電機(jī)和機(jī)械設(shè)備之間動(dòng)力傳輸?shù)臋C(jī)械機(jī)構(gòu)，通常包含帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、聯(lián)軸器、耦合器等結(jié)構(gòu)型式。

聯(lián)軸器屬于直接連接驅(qū)動(dòng)型式，帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)屬于間接連接驅(qū)動(dòng)型式。其中，聯(lián)軸器在安裝維護(hù)過(guò)程中，不僅要求機(jī)械對(duì)中精度高，而且，受機(jī)械振動(dòng)因素影響，機(jī)械對(duì)中精度存在逐步劣化的趨勢(shì)，需要重復(fù)維護(hù)調(diào)整。

磁力耦合器是一種基于渦流感應(yīng)原理，通過(guò)轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體之間的空氣間隙傳遞力矩，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)和負(fù)載之間無(wú)接觸的間接傳動(dòng)方式。磁力耦合器結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒(méi)有磨損部件，相對(duì)故障率較低；同時(shí)，具有過(guò)載保護(hù)功能，相較于液力耦合器，沒(méi)有環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品[4] 。

3 應(yīng)用效果

3.1 改造方案

通過(guò)技術(shù)分析和對(duì)比，出口分切剪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用如下改造方案。

1）電機(jī)容量擴(kuò)容和轉(zhuǎn)速調(diào)整。

結(jié)合出口分切剪起動(dòng)負(fù)荷和剪切負(fù)荷、工作制特點(diǎn)，核算電機(jī)起動(dòng)能力和過(guò)載能力，完成電機(jī)重新選型，確保電機(jī)安全運(yùn)行。

2）皮帶輪尺寸調(diào)整。

為了適配電機(jī)擴(kuò)容后轉(zhuǎn)軸尺寸變化，皮帶輪裝配內(nèi)徑需要增大，考慮到皮帶輪本體機(jī)械強(qiáng)度，同步加大皮帶輪基準(zhǔn)直徑尺寸。同時(shí)，為了保持原皮帶傳輸機(jī)構(gòu)減速比不變，將電機(jī)轉(zhuǎn)速由原來(lái)的6極改型為4極，為皮帶輪擴(kuò)徑提供了尺寸空間。

3）制作獨(dú)立皮帶輪軸承座，電機(jī)和皮帶輪之間采用磁力耦合器連接。

在原皮帶傳輸機(jī)構(gòu)中，皮帶輪直接套裝在電機(jī)前軸上，由于負(fù)載和電機(jī)處于非同軸位置，導(dǎo)致電機(jī)前軸在傳輸扭矩的同時(shí)承受額外的徑向力，雖然皮帶具有一定的負(fù)載緩沖作用，但是，在帶鋼剪切時(shí)仍存在負(fù)載突變和沖擊問(wèn)題。磁力耦合器屬于非直接接觸型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且具有一定的過(guò)載保護(hù)能力，可以有效解決帶鋼剪切時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸負(fù)載沖擊問(wèn)題。

4） 控制部分采用帶旁路的軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)。

考慮到出口分切剪起動(dòng)階段和帶鋼剪切階段的沖擊負(fù)荷特點(diǎn)，選用帶旁路的軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)。在起動(dòng)階段，采用轉(zhuǎn)矩線性加速方式實(shí)現(xiàn)柔性起動(dòng)，消除原有控制方式下加速過(guò)程中的負(fù)荷沖擊問(wèn)題；在帶鋼剪切階段，采用旁路控制方式和磁力耦合器相結(jié)合的措施，適配和緩解帶鋼剪切時(shí)的負(fù)荷沖擊。

3.2 效果對(duì)比

通過(guò)出口分切剪電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)改造，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在起動(dòng)階段和帶鋼剪切階段的沖擊性負(fù)荷均有明顯下降如圖4和圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

出口分切剪主要用于連續(xù)退火機(jī)組帶鋼卷取前的頭尾分切，是保障機(jī)組出口段上下通道有序切換運(yùn)行的重控設(shè)備。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出口分切剪驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)多次斷軸事故，逐步分解各階段的設(shè)備動(dòng)作，分析各動(dòng)作過(guò)程中負(fù)載的變化特點(diǎn)；同時(shí)，從設(shè)備結(jié)構(gòu)的角度，分析相關(guān)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的受力情況，從而掌握了電機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂的根本原因。在電機(jī)斷軸事故原因分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)研各種電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，制定有效的出口分切剪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造技術(shù)方案，從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，有效解決了出口分切剪驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷軸問(wèn)題，不僅消除了原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)備隱患，而且對(duì)同類機(jī)組解決相關(guān)問(wèn)題具有參考價(jià)值。

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第一作者：張晉峰，男，43歲，工程師

收稿日期：2024-05-31